JP2006173936A - 電圧制御発振器及びそれを用いたｐｌｌ回路並びに周波数変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定なＰＬＬを構成できる電圧制御発振器を得る。
【解決手段】 複数の周波数帯域を出力周波数帯域とすることができる電圧制御発振器１において、その電圧制御発振部３の前段に電圧変換部２を設け、制御部４が、電圧制御発振器１の周波数制御電圧Ｓ１−出力周波数Ｓ２変換特性を線形とすると共に電圧制御発振器１の出力周波数帯域それぞれにおける上記変換特性の傾きを略同一とすべく、出力周波数帯指定信号Ｓ３により指定される周波数帯域に応じて電圧変換部２の電圧変換特性を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧制御発振器及びそれを用いたＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路並びに周波数変調器に関し、特に広帯域な出力周波数帯域を有する電圧制御発振器に関する。

携帯電話においては、信号伝送容量拡大に伴って多チャンネル化及びそれらチャンネル間の高速切り替え能力が求められる。一方、信号伝送品質向上のため、信号誤り率の低減も要求される。

携帯電話では無線周波数帯の搬送波を生成するため、一般にＰＬＬ回路が用いられ、その主要構成要素として電圧制御発振器（ＶＣＯ）がある。

多チャンネル化に伴って、ＶＣＯには出力周波数帯域（出力可能な周波数の範囲）の広帯域化が求められている。出力周波数帯域の広帯域化のためには、電圧−周波数変換感度（単位電圧変化に対する周波数変化量）を増加させる方法がある。しかしこれは共振器のＱ値を低下させることと等価であり、その結果キャリア近傍位相雑音レベルが増大する。

電圧−周波数変換感度を高めることなく広帯域化を実現する電圧制御発振器として、図９及び図１０に示す電圧制御発振器がある。図９に示す電圧制御発振器５１は、周波数帯域に対応して設けられる複数のＶＣＯ５３−１〜５３−３を内蔵し、切替え制御部５４は周波数帯指定信号Ｓ３により指定される周波数帯域に応じて切替え器（Ｓｗｉｔｃｈ）５２を制御してＶＣＯ５３−１〜５３−３を切替える。また、切替え制御部５４は、指定された周波数帯域に応じて使用しないＶＣＯをオフするよう制御を行う。これにより、電圧−周波数変換感度を高めることなく広帯域化を実現している。

図１０に示す電圧制御発振器５５は一つのＶＣＯ５６と出力周波数帯を選択する複数の周波数調整素子５８−１〜５８−３を内蔵し、切替え器５７はそれらを指定された周波数帯域によって切り替える。これにより、電圧−周波数変換感度を高めることなく広帯域化を実現している。

以上説明した電圧−周波数変換感度を高めることなく広帯域化を実現する電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数変換特性例を図１１に示す。図１１に示すように、変換特性曲線の傾きは１本の曲線中でも大きく変化し、また異なる変換特性曲線間ではさらに傾きに差が生じる。なお、図９〜図１１では例として、周波数帯域を３バンドに分割した場合の構成及び特性を示しているが、さらに多バンドに分割した場合でも同様のことがいえる。

またＶＣＯの環境温度によって、これらの変換特性曲線は変化する。一般に電圧−周波数変換はリアクタンス制御素子であるバラクタダイオードを用いて行われるが、バラクタダイオードは半導体であるため温度変化に伴う特性変化が大きいためである。

図９や図１０に示す電圧制御発振器をＰＬＬ回路に用いた場合、変換特性曲線の傾きはループゲインに積の形で寄与する。したがって傾きが変化すると、ループゲインも比例して変化する。傾きの変化が大きいとそれによってループゲインの変化も大きくなる。

ＰＬＬの設計においてはループが不安定にならぬよう、ループゲインが最大の時でも位相余裕およびゲイン余裕を持たねばならない。したがって図１１の特性例の場合で示すと、最大傾き時のループゲインが上限値として制約される。通常時はさらに低いループゲインとなる。このことから、許容される最大ループゲインが一定であれば、変換特性曲線の傾きの変化が大きいほど、通常時および最小時のループゲインは小さな値となることがわかる。

従来のＶＣＯを用いてＰＬＬを設計した場合、周波数制御電圧−出力周波数変換曲線の傾き変化が大きいため、傾き変化の小さなＶＣＯを使用した場合に比べ、ＰＬＬが不安定となるという問題があった。

ＰＬＬによる周波数引き込み動作は、ループゲインが高いほど高速となる。しかし従来のＶＣＯ用いてＰＬＬを設計した場合、平均的なループゲインが低くなるため、周波数引き込み動作を高速にできないという問題があった。

ＰＬＬによるキャリア近傍位相雑音抑圧効果は、ループゲインが高いほど広帯域に抑圧できる。しかし従来のＶＣＯを用いてＰＬＬを設計した場合、平均的なループゲインが低くなるため、広帯域に位相雑音を抑圧できないという問題があった。

またＶＣＯのＰＬＬ以外の用途として、周波数変調器としての使用が知られている。一般的に周波数変調による信号伝送は、変調特性定義が容易であることから、信号振幅（一般的には電圧）変化と周波数変化が比例関係にある線形変換が用いられる。

しかし従来のＶＣＯを用いて周波数変調器を構成した場合、変換が非線形であることから、復調器が線形復調を行っても変調器入力振幅波形と復調器出力振幅波形は相似関係でなくなり、波形歪みが生じるという問題があった。

なお、特許文献１には、ＶＣＯの前段に電圧変換器を設けることにより周波数制御電圧−出力周波数変換特性を線形とすることができる電圧制御発振器が記載されている。

実開平０１−０７８４１５号公報（第４〜７頁、第１〜５図）

第１の問題点は、従来のＶＣＯをＰＬＬ回路に使用した場合、ループが不安定になることである。
その理由は、電圧−周波数変換特性が線形でないため、電圧−周波数変換感度が電圧値により変化する。この値がＰＬＬのループゲインと比例関係にあるため、大きな値をとった場合ループの位相余裕，ゲイン余裕が小さくなり、さらにはループが発振を起こす。

第２の問題点は、従来のＶＣＯをＰＬＬ回路に使用した場合、ループ引き込み時間を短くできないことである。
その理由は、上記のようなループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、最悪条件である電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕、ゲイン余裕を持つようにＰＬＬを設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。その結果、ループ引き込み時間が長くなる。

第３の問題点は、従来のＶＣＯをＰＬＬ回路に使用した場合、位相雑音抑圧帯域幅を広くできないことである。
その理由は、上記のようなループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、最悪条件である電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕、ゲイン余裕を持つようにＰＬＬを設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。ループゲインはＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅と比例関係にあるため、結果的にＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅が広くとれない。

第４の問題点は、従来のＶＣＯを周波数変調器として用いた場合、電圧から周波数への変換が非線形変換となり、復調後の信号波形に歪みが生じることである。
その理由は、一般的に周波数変調による信号伝送は、変調特性定義が容易であることから、信号振幅（一般的には電圧）変化と周波数変化が比例関係にある線形変換が用いられる。周波数変調器が非線形変換を行った場合、復調器が線形復調を行っても、変調器入力振幅波形と復調器出力振幅波形は相似関係でなくなり、波形歪みが生じる。

第５の問題点は、温度によって電圧−周波数変換特性の非線形性が変化することである。
その理由は、一般に電圧−周波数変換はリアクタンス制御素子であるバラクタダイオードを用いて行われるが、バラクタダイオードは半導体であるため温度変化に伴う特性変化が大きく、その結果電圧−周波数変換の非線形特性が温度によって大きく変化する。

第６の問題点は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合、ループが不安定になることである。
その理由は、電圧−周波数変換特性は複数の電圧制御発振器間でばらつく。その結果、特定の電圧制御発振器が大きな電圧−周波数変換感度値をとった場合ループの位相余裕、ゲイン余裕が小さくなり、さらにはループが発振を起こす。

第７の問題点は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合、ループ引き込み時間を短くできないことである。
その理由は、上記のループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、複数の電圧制御発振器のばらつき込みで電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕、ゲイン余裕を持つようにＰＬＬを設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。その結果、ループ引き込み時間が長くなる。

第８の問題点は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合、位相雑音抑圧帯域幅を広くできないことである。
その理由は、上記のループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、複数の電圧制御発振器のばらつき込みで電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕、ゲイン余裕を持つようにＰＬＬを設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。ループゲインはＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅と比例関係にあるため、結果的にＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅が広くとれない。

第９の問題点は、複数の出力周波数設定内部素子（周波数調整素子）を切り替えて広周波数帯域を出力できる電圧制御発振器をＰＬＬ回路に使用した場合、ループが不安定になることである。
その理由は、電圧−周波数変換特性は電圧制御発振器の出力周波数設定内部素子切り替えで変動する。その結果、特定の出力周波数設定内部素子設定時に大きな電圧−周波数変換感度値となった場合ループの位相余裕、ゲイン余裕が小さくなり、さらにはループが発振を起こす。

第１０の問題点は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えて広周波数帯域を出力できる電圧制御発振器をＰＬＬ回路に使用した場合、ループ引き込み時間を短くできないことである。
その理由は、前記のループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、出力周波数設定内部素子切り替え時、電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕，ゲイン余裕を持つようにＰＬＬを設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。その結果、ループ引き込み時間が長くなる。

第１１の問題点は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えて広周波数帯域を出力できる電圧制御発振器をＰＬＬ回路に使用した場合、位相雑音抑圧帯域幅を広くできないことである。
その理由は、前記のループの不安定化を避けるため、ＰＬＬ回路に用いる場合、出力周波数設定内部素子切り替え時、電圧−周波数変換感度が最大の場合でも十分な位相余裕，ゲイン余裕を持つようにＰＬＬ回路を設計する。しかしその代償として、電圧−周波数変換感度が標準状態では相対的にループゲインが低い値となる。ループゲインはＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅と比例関係にあるため、結果的にＰＬＬの位相雑音抑圧帯域幅が広くとれない。

本発明の第１の目的は、安定なＰＬＬを構成できる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第２の目的は、ＰＬＬ回路に使用した場合、ループ引き込み時間を短くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第３の目的は、ＰＬＬ回路に使用した場合、位相雑音抑圧帯域幅を広くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第４の目的は、周波数変調器として用いた場合、電圧から周波数への変換が線形変換となり、復調後の信号波形に歪みを生じさせない電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第５の目的は、温度によって電圧−周波数変換特性の非線形性が変化しない電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第６の目的は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、安定なループを構成できる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第７の目的は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、ループ引き込み時間を短くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第８の目的は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、位相雑音抑圧帯域幅を広くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第９の目的は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、安定なループを構成できる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第１０の目的は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、ループ引き込み時間を短くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明の第１１の目的は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、位相雑音抑圧帯域幅を広くできる電圧制御発振器を提供することにある。

本発明による電圧制御発振器は、制御電圧に応じて発振周波数が変化する複数の電圧制御発振手段を含み、指定された周波数帯域の周波数を出力可能な前記電圧制御発振手段を選択するようにした電圧制御発振器であって、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換する制御手段を含むことを特徴とする。
また、前記電圧制御発振器において、前記制御手段は、前記複数の電圧制御発振手段それぞれの前記制御電圧−出力周波数変換特性を線形とすると共にその傾きを互いに略同一にすべく、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする。

本発明による別の電圧制御発振器は、複数の周波数調整素子を有し制御電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御発振手段を含み、指定された周波数帯域に対応する前記周波数調整素子を選択することにより前記電圧制御発振手段の出力可能な周波数の帯域を前記指定された周波数帯域に切替えるようにした電圧制御発振器であって、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換する制御手段を含むことを特徴とする。
また、前記電圧制御発振器において、前記制御手段は、前記電圧制御発振手段の出力可能な周波数の帯域それぞれにおける前記電圧制御発振手段の前記制御電圧−出力周波数変換特性を線形とすると共にその傾きを互いに略同一にすべく、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記制御電圧を制御信号に応じて変換して前記電圧制御発振手段に出力する電圧変換部と、前記指定された周波数帯域に応じて前記電圧変換部の電圧変換特性を制御するための前記制御信号を生成出力する制御部とを有することを特徴とする。

また、前記電圧変換部は、線形の電圧変換特性を有し前記制御電圧を前記制御信号に応じて変換する線形電圧変換回路と、非線形の電圧変換特性を有し前記線形電圧変換回路の出力電圧を前記制御信号に応じて変換する非線形電圧変換回路と、線形の電圧変換特性を有し前記非線形電圧変換回路の出力電圧を前記制御信号に応じて変換して前記電圧制御発振手段に出力する線形電圧変換回路とを有し、前記制御部は、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御信号を前記電圧変換回路各々毎に生成出力することを特徴とする。

また、本発明による電圧制御発振器は、周囲温度を検出する温度検出手段を含み、前記制御手段は、前記指定された周波数帯域及び前記温度検出手段の出力に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする。

このように、本発明では、複数の周波数帯域を出力周波数帯域とすることができる電圧制御発振器において、その電圧制御発振部の前段に電圧変換部を設け、制御部が、電圧制御発振器に入力される周波数制御電圧と電圧制御発振器の出力周波数との変換特性を線形とすると共に電圧制御発振器の上記複数の周波数帯域それぞれにおける上記変換特性の傾きを互いに略同一とすべく、指定された周波数帯域に応じて電圧変換部の電圧変換特性を制御するようにしているので、安定なＰＬＬを構成できる電圧制御発振器を提供することができる。

また、制御部は、指定された周波数帯域に加えて、周囲温度を検出する温度検出手段の出力にも応じて電圧変換部の電圧変換特性を制御するようにしているので、温度変動による電圧制御発振器の特性の変動を抑制することができる。

本発明の第１の効果は、安定なＰＬＬを構成できる電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性を線形に保つよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に出力周波数によらずループゲインを一定に保つことができるためである。

本発明の第２の効果は、ＰＬＬ回路に使用した場合ループ引き込み時間を短くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性を線形に保つよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に出力周波数によらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第３の効果は、ＰＬＬ回路に使用した場合位相雑音抑圧帯域幅を広くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性を線形に保つよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に出力周波数によらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第４の効果は、周波数変調器として用いた場合信号波形に歪みを生じさせない、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性を線形に保つよう補償したためである。

本発明の第５の効果は、温度によって電圧−周波数変換特性の非線形性が変化しない電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、温度を検出し、温度により最適な周波数制御電圧−出力周波数特性を設定できるためである。

本発明の第６の効果は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも、安定なループを構成できる電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に電圧制御発振器のばらつきによらずループゲインを一定に保つことができるためである。

本発明の第７の効果は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でもループ引き込み時間を短くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に電圧制御発振器のばらつきによらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第８の効果は、複数の電圧制御発振器を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも位相雑音抑圧帯域幅を広くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に電圧制御発振器のばらつきによらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第９の効果は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも安定なループを構成できる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えたときの周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に前記ばらつきによらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第１０の効果は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でもループ引き込み時間を短くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えたときの周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に前記ばらつきによらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

本発明の第１１の効果は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えてＰＬＬ回路に使用した場合でも位相雑音抑圧帯域幅を広くできる、電圧制御発振器を提供できることである。
その理由は、複数の出力周波数設定内部素子を切り替えたときの周波数制御電圧−出力周波数特性ばらつきを抑えるよう補償したことにより、ＰＬＬ回路に使用した時に前記ばらつきによらずループゲインを一定に保つことができ、その結果位相余裕やゲイン余裕を確保しつつループゲインを高く設定できるためである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図である。図１において、本発明の第１の実施の形態による電圧制御発振器１は、電圧変換部２と、電圧制御発振部（ＶＣＯ）３と、制御部４と、温度検出部５とから構成されている。なお、電圧制御発振部３は、図９または図１０に示す従来の電圧制御発振器に相当する。

温度検出部５は周囲温度を測定し、それに対応する温度信号を制御部４に出力する。制御部４は、出力周波数帯指定信号Ｓ３、電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４及び上記の温度信号を入力し、電圧制御発振部３へバンド選択信号、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２にはそれぞれ第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号、非線形電圧変換回路６には非線形電圧変換特性設定信号を出力する。電圧変換部２は、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号、非線形電圧変換特性設定信号及び周波数制御電圧Ｓ１を入力し、電圧制御発振部３へ補正済周波数制御電圧を出力する。電圧制御発振部３は、バンド選択信号及び補正済周波数制御電圧を入力し、出力信号Ｓ２を出力する。

電圧変換部２は、第１の線形電圧変換回路７−１と、非線形電圧変換回路６と、第２の線形電圧変換回路７−２とから構成されている。

第１の線形電圧変換回路７−１は、周波数制御電圧Ｓ１及び第１の線形電圧変換特性設定信号を入力し、変換出力信号を非線形電圧変換回路６へ出力する。非線形電圧変換回路６は、第１の線形電圧変換回路７−１の変換出力信号及び非線形電圧変換特性設定信号を入力し、変換出力信号を第２の線形電圧変換回路７−２へ出力する。第２の線形電圧変換回路７−２は、非線形電圧変換回路６の変換出力信号及び第２の線形電圧変換特性設定信号を入力し、補正済周波数制御電圧を出力する。

図２は図１の非線形電圧変換回路６の構成を示す図である。図２において、非線形電圧変換回路６は、非線形電圧変換部８、複数の非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３及びこれら素子を切り替える切り替え器（Ｓｗｉｔｃｈ）１０から構成されている。図２では例として非線形電圧変換特性設定素子９が３個の場合を示すが、この素子数は適当な数を選択することができる。

非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３は、切り替え器１０に接続されている。切り替え器１０は、全ての非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３及び非線形電圧変換部８に接続されている。切り替え器１０は、制御部４からの非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８を入力し、それによって非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３及び非線形電圧変換部８の接続を切り替える。非線形電圧変換部８は、切り替え器１０を介して非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３に接続されている。非線形電圧変換部８は、線形電圧変換回路７−１からの入力電圧信号Ｓ６を入力し、出力電圧信号Ｓ７を線形電圧変換回路７−２へ出力する。

図３は図１の線形電圧変換回路７（７−１，７−２）の構成を示す図である。図３において、線形電圧変換回路７は、線形電圧変換部１１、複数の線形電圧変換特性設定素子１２−１〜１２−３及びこれら素子１２−１〜１２−３を切り替える切り替え器３０から構成されている。図３では例として線形電圧変換特性設定素子１２が３個の場合を示すが、この素子数は適当な数を選択することができる。

線形電圧変換特性設定素子１２−１〜１２−３は、切り替え器３０に接続されている。切り替え器３０は、全ての線形電圧変換特性設定素子１２−１〜１２−３及び線形電圧変換部１１に接続されている。切り替え器３０は、制御部４からの線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１を入力し、それによって線形電圧変換特性設定素子１２−１〜１２−３及び線形電圧変換部１１の接続を切り替える。線形電圧変換部１１は、切り替え器３０を介して線形電圧変換特性設定素子１２−１〜１２−３に接続されている。線形電圧変換部１１は、入力電圧信号Ｓ９（制御電圧Ｓ１または非線形電圧変換回路６の出力電圧信号Ｓ７）を入力し、出力電圧信号Ｓ１０を非線形電圧変換回路６またはＶＣＯ３へ出力する。

次に、図１の電圧制御発振器１の動作について説明する。

図４はＶＣＯ３の周波数制御電圧−出力周波数変換曲線と、電圧変換部２の入力電圧と出力電圧の関係を示す電圧変換曲線とを示す図である。

電圧制御発振器１に入力された周波数制御電圧Ｓ１は、電圧変換部２にて図４で示した電圧変換特性にて非線形変換され、電圧制御発振部３へ出力される。電圧制御発振部３はその電圧に対応した周波数で発振し出力信号Ｓ２を出力する。

この結果、図４に示す通り、電圧制御発振部３の周波数制御電圧−出力周波数非線形特性が、逆特性となる電圧変換部２の非線形特性で相殺され、周波数制御電圧Ｓ１（電圧変換器入力電圧）と出力信号Ｓ２の周波数（ＶＣＯ出力周波数）の変化量の比が、周波数制御電圧Ｓ１または出力信号Ｓ２の周波数に依存せず一定つまり線形関係となる。

第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２は、非線形電圧変換回路６に最適な入出力電圧条件を設定するための利得変換、電圧オフセット機能を有している。また、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２は、電圧制御発振器としての電圧−周波数変換特性調整機能も兼ねる。第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２は、オペアンプ回路で実現できる。

電圧制御発振部３の非線形特性は、出力周波数帯域切り替えに依存して変化し、また温度によっても変動する。電圧変換部２の非線形特性も、温度によって変動する。

制御部４は電圧制御発振部３の出力周波数帯域を、出力周波数帯指定信号Ｓ３によって指定される周波数帯域とすべく、出力周波数帯指定信号Ｓ３をバンド選択信号に変換して電圧制御発振部３に出力する。

また、制御部４は内部に、電圧制御発振部３非線形特性（図４参照）の出力周波数帯域依存性情報及び温度依存性情報、さらには、電圧変換部２非線形特性（図４参照）の温度依存性情報を持ち、その情報を基に、電圧制御発振器１の周波数制御電圧Ｓ１−出力周波数Ｓ２変換特性を出力周波数帯域毎に線形とし、かつ、出力周波数帯域毎の周波数制御電圧Ｓ１−出力周波数Ｓ２変換特性の傾きを略同一とする非線形特性補償を行なうべく、非線形電圧変換回路６と線形電圧変換回路７−１及び７−２の電圧変換特性を制御する。

非線形電圧変換回路６と線形電圧変換回路７−１及び７−２の電圧変換特性の制御は、変換回路６，７−１及び７−２の切り替え器１０，３０を制御して電圧変換特性設定素子９−１〜９−３及び１２−１〜１２−３の接続を切り替えることにより行なわれる。制御部４は、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１、非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８をそれぞれ、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２、非線形電圧変換回路６に送出することにより変換回路６，７−１及び７−２の切り替え器１０，３０を制御する。

制御部４は、出力周波数帯指定信号Ｓ３と温度検出部５からの温度信号を基に、上述した非線形特性補償に最適な、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１、非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８を生成し、電圧変換部２へ供給する。これらの信号の生成は演算にて行うほか、制御部４にテーブルを持つことでも実施できる。また、これらの演算やテーブルで使用する値は、外部より設定変更できるよう電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４により最適値に設定される。

図５は上述した非線形特性補償による電圧制御発振器１の周波数制御電圧Ｓ１（電圧変換部２入力電圧）−出力周波数Ｓ２変換特性を示す図である。上述した非線形特性補償の結果、図５に示すように、電圧制御発振器１の出力周波数帯域ｆ１〜ｆ３（この例では３バンド）各々における周波数制御電圧Ｓ１（電圧変換部２入力電圧）−出力周波数Ｓ２変換特性は線形となり、かつ、その傾きが互いに略同一となる。

このように、本発明の第１の実施の形態では、電圧制御発振部３の前段に電圧変換部２を設けたことにより、周波数制御電圧Ｓ１−出力周波数Ｓ２変換特性の非線形性が抑圧され、周波数制御電圧Ｓ１と出力信号Ｓ２の周波数の変化量の比が、周波数制御電圧Ｓ１または出力信号Ｓ２の周波数に依存せず一定となる。そのため、電圧制御発振器１をＰＬＬ回路に使用した場合、安定なＰＬＬを構成できる。またループ帯域をＰＬＬが不安定にならない範囲で広く設定できることから、ループ引き込み時間を短く、位相雑音抑圧帯域幅を広くできる。電圧制御発振器１を周波数変調器として用いた場合、信号波形に歪みを生じないという効果がある。

さらに本発明の第１の実施の形態では、温度検出部５と制御部４が設けられているので、周波数帯域変更や温度変動により電圧変換部２や電圧制御発振部３の非線形特性が変動した場合でも、最適な値に特性を補償できるという効果がある。

しかも、これらの補償のための情報を制御部４に内蔵し、さらにこの情報を電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４により外部から変更可能であるため、個体間の特性ばらつきや経時変化によりずれが生じても、常に最適値に設定することができるという効果もある。

なお、本発明の第１の実施の形態では、非線形電圧変換回路６や線形電圧変換回路７−１及び７−２の電圧変換特性の変更を切り替え器１０，３０により行っているが、可変利得増幅器のような電圧値等によって連続的に特性が変化するような回路を用いてもよい。

また、非線形電圧変換回路６については、一例としてダイオードを用いたオペアンプ回路で構成できる。また、このダイオードのバイアスを変えるための抵抗が非線形電圧変換特性設定素子９−１〜９−３として用いられる。

さらに、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２は、各々それらの必要性に応じて省略することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図６は本発明の第２の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図であり、図１と同等部分は同一符号にて示している。本発明の第２の実施の形態による電圧制御発振器１３の基本的構成は第１の実施の形態による電圧制御発振器１の構成と同様であるが、非線形電圧変換回路６、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２の電圧変換特性を設定する回路の配置についてさらに工夫している。

図６において、非線形電圧変換回路６、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２へ送出される非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１を生成して各電圧変換回路の電圧変換特性を設定する電圧変換特性設定回路１６が、電圧変換部１４に内蔵されている。

制御部１５は、出力周波数帯指定信号Ｓ３、電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４及び温度検出部５からの温度信号を入力し、電圧変換特性選択信号及び電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４を電圧変換特性設定回路１６へ出力する。

電圧変換特性設定回路１６は、各電圧変換回路６，７−１及び７−２の切り替え器１０，３０を制御するための非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１の組み合わせを保持するテーブルを有し、制御部１５からの電圧変換特性選択信号（当該テーブルの読出しアドレスを指定する信号）の入力に応答して、指定された組み合わせの非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１をそれぞれ、非線形電圧変換回路６、第１及び第２の線形電圧変換回路７−１及び７−２へ出力する。

制御部１５は、出力周波数帯指定信号Ｓ３と温度検出部５からの温度信号を基に、上述した非線形特性補償に最適な、第１及び第２の線形電圧変換特性設定信号Ｓ１１、非線形電圧変換特性設定信号Ｓ８の組み合わせを指定する電圧変換特性選択信号を生成し、電圧変換特性設定回路１６へ供給する。

したがって、本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができると共に、電圧変換部１４に電圧変換特性設定回路１６を内蔵しているので、制御部１５と電圧変換部１４の間の信号線を削減することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図７は本発明の第３の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図であり、図１と同等部分は同一符号にて示している。本発明の第３の実施の形態による電圧制御発振器１７の基本的構成は第１の実施の形態による電圧制御発振器１の構成と同様であるが、電圧変換部１８の内部構成についてさらに工夫している。

図７において、電圧変換部１８は、複数の電圧変換回路群２０−１〜２０−３と、切り替え器（Ｓｗｉｔｃｈ）４０とを有する。電圧変換回路群２０−１〜２０−３の各々は、第１の線形電圧変換回路２２−１と、非線形電圧変換回路２１と、第２の線形電圧変換回路２２−２とを有している。

電圧変換回路群２０−１〜２０−３の各々は、周波数制御電圧Ｓ１を入力し、補正済周波数制御電圧を出力する。電圧変換回路群２０−１〜２０−３の各々は、図１に示した電圧変換部２と同様に、第１の線形電圧変換回路２２−１、非線形電圧変換回路２１、第２の線形電圧変換回路２２−２により補正済周波数制御電圧を生成する。電圧変換回路群２０−１〜２０−３それぞれの電圧変換特性は互いに異なり、各電圧変換回路２１，２２−１及び２２−２は、単一の電圧変換特性設定素子を持ち、切り替え器を持たない。

切り替え器４０は、電圧変換回路群２０−１〜２０−３の出力である複数の補正済周波数制御電圧と制御部１９からの電圧変換回路選択信号を入力し、選択された補正済周波数制御電圧を電圧制御発振部３に出力する。

制御部１９は、出力周波数帯指定信号Ｓ３と温度検出部５からの温度信号を基に、電圧変換回路群２０−１〜２０−３の中から上述した非線形特性補償に最適な電圧変換特性を有する電圧変換回路群を選択する電圧変換回路選択信号を生成し、切り替え器４０へ出力する。

したがって、本発明の第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができると共に、電圧変換部１８に複数の電圧変換回路群２０−１〜２０−３を内蔵しそれらを切り替え器４０で切り替える構成としているので、制御部１９から各電圧変換回路への電圧変換特性設定信号の信号線を削除することができる。

図８は本発明の上述した各実施の形態による電圧制御発振器を用いたＰＬＬ回路の構成を示す図である。図８に示すＰＬＬ回路は、上述した各実施の形態による電圧制御発振器であるＶＣＯ２３と、電圧変換パラメータ情報信号生成回路２４と、周波数設定回路２５と、分周器２６と、周波数位相比較器（ＦＰＤ）２７と、ループフィルター２８とを有する。

電圧変換パラメータ情報信号生成回路２４は、電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４を生成し、電圧制御発振器２３に入力する。

周波数設定回路２５は、ＰＬＬ回路が出力すべき周波数に対応した分周情報及び出力周波数帯指定信号Ｓ３を生成し、それぞれ分周器２６及び電圧制御発振器２３に出力する。

電圧制御発振器２３は、周波数制御電圧Ｓ１、出力周波数帯指定信号Ｓ３、電圧変換パラメータ情報信号Ｓ４を入力し、出力信号Ｓ２を出力する。

分周器２６は、出力信号Ｓ２及び周波数設定回路２５からの分周信号を入力し、出力信号Ｓ２を分周信号に基づき分周し出力する。分周数は、一般的な整数分周器（分周数１の場合を含む）の他、小数分周器であってもよい。

周波数位相比較器２７は、分周器２７の出力と基準位相信号を入力し、それらの周波数位相比較を行って誤差信号を出力する。

ループフィルター２８は、周波数位相比較器２７からの誤差信号を入力し、ＰＬＬ特性に最適なフィルター処理を行って、周波数制御電圧Ｓ１を生成する。

なお、本発明の上述した各実施の形態による電圧制御発振器は周波数変調器としても使用することができる。

本発明の第１の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図である。 図１の非線形電圧変換回路の構成を示す図である。 図１の線形電圧変換回路の構成を示す図である。 図１の電圧制御発振部の周波数制御電圧−出力周波数変換曲線と、電圧変換部の入力電圧と出力電圧の関係を示す電圧変換曲線とを示す図である。 図１の電圧制御発振器の出力周波数帯域それぞれの周波数制御電圧（電圧変換部入力電圧）−出力周波数変換特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態による電圧制御発振器の構成を示す図である。 本発明の各実施の形態による電圧制御発振器を用いたＰＬＬ回路の構成を示す図である。 従来の電圧制御発振器の一例を示す図である。 従来の電圧制御発振器の別の例を示す図である。 従来の電圧制御発振器の周波数制御電圧−出力周波数特性例を示す図である。

符号の説明

１，１３，１７，２３ 電圧制御発振器
２，１４，１８ 電圧変換部
３ 電圧制御発振部
４，１５，１９ 制御部
５ 温度検出部
６，２１ 非線形電圧変換回路
７−１，７−２，２２−１，２２−２ 線形電圧変換回路
８ 非線形電圧変換部
９−１〜９−３ 非線形電圧変換特性設定素子
１０，３０，４０ 切り替え器
１１ 線形電圧変換部
１２−１〜１２−３ 線形電圧変換特性設定素子
１６ 電圧変換特性設定回路
２０−１〜２０−３ 電圧変換回路群
２４ 電圧変換パラメータ情報信号生成回路
２５ 周波数設定回路
２６ 分周器
２７ 周波数位相比較器
２８ ループフィルター

Claims (15)

1. 制御電圧に応じて発振周波数が変化する複数の電圧制御発振手段を含み、指定された周波数帯域の周波数を出力可能な前記電圧制御発振手段を選択するようにした電圧制御発振器であって、
   前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換する制御手段を含むことを特徴とする電圧制御発振器。
2. 前記制御手段は、前記複数の電圧制御発振手段それぞれの前記制御電圧−出力周波数変換特性を線形とすると共にその傾きを互いに略同一にすべく、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする請求項１記載の電圧制御発振器。
3. 複数の周波数調整素子を有し制御電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御発振手段を含み、指定された周波数帯域に対応する前記周波数調整素子を選択することにより前記電圧制御発振手段の出力可能な周波数の帯域を前記指定された周波数帯域に切替えるようにした電圧制御発振器であって、
   前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換する制御手段を含むことを特徴とする電圧制御発振器。
4. 前記制御手段は、前記電圧制御発振手段の出力可能な周波数の帯域それぞれにおける前記電圧制御発振手段の前記制御電圧−出力周波数変換特性を線形とすると共にその傾きを互いに略同一にすべく、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする請求項３記載の電圧制御発振器。
5. 前記制御手段は、前記制御電圧を制御信号に応じて変換して前記電圧制御発振手段に出力する電圧変換部と、前記指定された周波数帯域に応じて前記電圧変換部の電圧変換特性を制御するための前記制御信号を生成出力する制御部とを有することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の電圧制御発振器。
6. 前記電圧変換部は、線形の電圧変換特性を有し前記制御電圧を前記制御信号に応じて変換する線形電圧変換回路と、非線形の電圧変換特性を有し前記線形電圧変換回路の出力電圧を前記制御信号に応じて変換する非線形電圧変換回路と、線形の電圧変換特性を有し前記非線形電圧変換回路の出力電圧を前記制御信号に応じて変換して前記電圧制御発振手段に出力する線形電圧変換回路とを有し、前記制御部は、前記指定された周波数帯域に応じて前記制御信号を前記電圧変換回路各々毎に生成出力することを特徴とする請求項５記載の電圧制御発振器。
7. 前記制御部は、前記指定された周波数帯域の情報を基に、前記電圧変換部の電圧変換特性を制御するための前記制御信号を演算により生成して前記電圧変換部に出力することを特徴とする請求項５または６記載の電圧制御発振器。
8. 前記制御部は、前記指定された周波数帯域の情報を入力として前記電圧変換部の電圧変換特性を制御するための前記制御信号を前記電圧変換部に出力するテーブルを有することを特徴とする請求項５または６記載の電圧制御発振器。
9. 前記電圧変換部は、前記電圧変換部の電圧変換特性を制御するための前記制御信号を出力するテーブルを有し、前記制御部は、前記制御信号の出力に代えて、前記指定された周波数帯域の情報を基に前記テーブルの読出しアドレスを指定する信号を前記テーブルに出力することを特徴とする請求項５または６記載の電圧制御発振器。
10. 前記演算に用いるパラメータは外部より設定可能であることを特徴とする請求項７記載の電圧制御発振器。
11. 前記テーブルに用いるパラメータは外部より設定可能であることを特徴とする請求項８または９記載の電圧制御発振器。
12. 前記指定された周波数帯域は、外部より入力される周波数帯指定信号により指定されることを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の電圧制御発振器。
13. 周囲温度を検出する温度検出手段を含み、前記制御手段は、前記指定された周波数帯域及び前記温度検出手段の出力に応じて前記制御電圧を変換することを特徴とする請求項１〜１２いずれか記載の電圧制御発振器。
14. 請求項１〜１３いずれか記載の電圧制御発振器を有することを特徴とするＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路。
15. 請求項１〜１３いずれか記載の電圧制御発振器を有することを特徴とする周波数変調器。
    

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